高速公路下伏采空區沉降變形規律研究

張思峰，夏沖，范偉，任士樸

（1.山東建筑大學交通工程學院，山東 濟南 250101；2.山東高速交通建設集團股份有限公司，山東 濟南 250014；3.山東省路橋集團有限公司，山東 濟南 250014 ；4.山東華鑒工程檢測有限公司，山東 濟南 250101)

隨著我國對礦產資源需求量的不斷增大，礦產資源的開采規模和范圍也隨之增加，從而遺留下大量的采空區，在道路、車輛等上覆荷載作用下，極易引發頂板冒落、垮塌甚至地表沉陷等災害，對人民生命財產安全造成較大的安全隱患[1-2]。為此，開展公路尤其是高等級公路下伏采空區變形規律研究具有重大工程意義。

采空區變形受各種影響因素的綜合作用，如工程地質條件、上覆荷載、開采順序、采礦方法及支護方案等[3]，在這方面，國內外學者取得了眾多卓有成效的研究成果。孔學偉等[4]利用FLAC3D數值模擬軟件，研究了礦體開采至不同距離時對采空區、礦柱等的穩定性影響規律。白云等[5]結合工程實際，利用FLAC3D數值模擬軟件，分析了不同開采方式下采空區上覆圍巖的變形特征及地表沉降規律。王波等[6]利用離散元軟件建立采空區模型，研究了礦房數量、礦柱寬度以及護頂層厚度等對采空區塌陷特征的影響規律。孔立平[7]通過建立數值模型，分析了支護系統對圍巖應力分布情況的影響規律。上述研究成果均為采空區變形規律研究提供了理論依據，但目前對于考慮采空區巷道埋深、截面尺寸等因素的足尺模型的沉降變形規律研究成果還鮮有報道。

本文以嵐羅高速公路臨沂羅莊段下伏大型采空區為工程依托，利用FLAC3D數值模擬軟件，針對采空區巷道的埋設深度及截面尺寸，分析了自重應力作用下地表及采空區的變形規律，為依托工程下伏采空區的治理措施選擇提供了理論依據，也可為其他類似采空區的穩定性評價及治理提供工程借鑒。

1 工程概況及數值分析模型建立

1.1 工程概況

嵐山至羅莊高速公路位于山東省境內，其中臨沂羅莊段K99+620～ K100+150 m 處為原勞模店煤礦區（見圖1）。其煤層已于上世紀末全部開采完畢，煤層頂板深度從20 m 至100 m 不等，遺留下大面積的采空區，隨時間推移，采空區形成了諸多礦坑。但目前采空區 尚未穩定，還處于持續塌陷中，造成上部道路及房屋的開裂。物探結果表明，目前采空區絕大部分巷道的截面尺寸約為4 m×4 m 方形，局部斷面尺寸可達8 m×8 m，說明經過20 余年沉降，巷道仍未達到穩定狀態。

圖1 交通位置圖

1.2 數值分析模型建立

FLAC（Fast Lagrangian Analysis of Continua）是美國ITASCA 公司研發的連續介質力學分析軟件，由于其在計算巖土體破壞后的大變形問題上有獨特的優勢，已成為巖土工程領域的通用計算程序[8]。本文采用FLAC3D軟件建立不同因素影響下的采空區數值分析模型，揭示受自重應力影響的采空區地表及頂板巖土體沉降變形演化規律。

為計算方便，模型以采空區道路中軸線為對稱軸建立半模模型，且假定各巖（土）層為一水平面，其物理力學性質沿層面不發生改變。建立的模型長、寬、高分別為150 m、300 m 和120 m，其中，煤層推進方向與y軸方向平行，路基橫斷面與x 軸方向平行。

模型單元采用FLAC3D中六面體單元，本構關系采用Mohr-columb 塑性屈服準則，建立的不考慮上部路基荷載的三維實體結構如圖2 所示，共建立單元數量118800 個。邊界條件上，模型底面為全固定約束邊界，前后左右為水平位移約束邊界，頂面為自由邊界。

圖2 模型結構

結合前期物探及地質鉆探結果，本數值模擬中確定依托工程下伏采空區巷道橫斷面基本形狀為4×4 m的方形，巷道掘進工作面長度為140 m，分布于y 向80～220 m 范圍內，巷道頂板深度依據煤層分布分別為24 m、62 m 和102 m，且在102 m 處的巷道截面尺寸變化最為復雜，因此后續分析中主要針對該工況進行了多因素下的沉降變形分析。

由于本工程大部分巷道截面尺寸仍基本接近于開挖完成后的狀態，剩余沉降變形量仍較大，且上覆道路為永久性工程，自重應力下的變形特點及變形量是決定后期是否需要處治的關鍵因素。為此，數值模擬針對自重應力下的沉降變形進行分析，考慮道路距離下伏采空區的位置、實際工程中巷道局部斷面尺寸，數值模擬中采空區開挖分為以下幾種工況進行分析：

工況1：巷道頂板埋深為24 m，巷道截面尺寸為4×4 m；工況2：巷道頂板埋深為62 m，巷道截面尺寸為4×4 m；工況3：巷道頂板埋深為102 m，巷道截面尺寸為4×4 m；工況4：巷道頂板埋深為102 m，巷道截面尺寸為6×6 m；工況5：巷道頂板埋深為102 m，巷道截面尺寸為8×8 m。

2 計算結果分析

2.1 不同巷道頂板埋深下的沉降變形分析

工況1、工況2 及工況3 的模型豎向位移云圖、模型上表面沿x 方向豎向位移曲線及采空區頂板沿y 方向豎向位移曲線,分別如圖3～5 所示。

圖3 豎向位移云圖

圖4 模型上表面豎向位移曲線

圖5 采空區頂板豎向位移曲線

由圖可知，自重應力作用下，頂板沉降主要發生在巷道掘進工作面長度內，巷道頂板埋深24 m、62 m 及102m時，地表及頂板最大沉降量分別為0.93 m和2.40 m、0.13 m 和0.81 m、0.09 m 和0.22 m，這說明采空區地表及巷道頂板塌陷程度與巷道埋深呈負相關關系。另外，當巷道頂板埋深為102 m 時，其最大地表沉降量小于10 cm，根據《公路路基設計規范》（JTG D30-2015）[9]對高速公路容許工后沉降量的相關要求，若巷道上方非橋臺部位，原則上可不予處理。

2.2 不同截面尺寸下的沉降變形分析

工況3、工況4 及工況5 的模型上表面沿x 方向豎向位移曲線及采空區頂板沿y 方向豎向位移曲線分別如圖6～7 所示。

圖6 模型上表面豎向位移曲線

與工況3 對比分析可知，自重應力作用下，巷道截面尺寸分別為4×4 m、6×6 m 及8×8 m 時，頂板最大沉降量分別為0.22 m、1.89 m 和7.64 m，即橫截面積增大2.57 和4.57 倍時，其頂板最大位移增大了8.59 和34.73 倍，兩者之間呈現出非線性增大趨勢。另外，圖6 及圖7 還反映出，沿巷道掘進工作面方向，豎向位移呈現出中間大、兩邊小的特點，且巷道截面尺寸越大，巷道中間位置越易坍塌；但巷道截面尺寸對地表沉降范圍影響不明顯，說明地表沉降范圍主要受巷道埋置深度影響，而受深層的巷道截面尺寸影響不大。因此，下伏采空區的實際工程治理需根據巷道埋置深度、尺寸及地表沉陷量合理確定采空區治理與否及相應的治理措施。

圖7 采空區頂板豎向位移曲線

3 結語

本文利用FLAC3D數值模擬方法，針對嵐羅高速公路下伏勞模店煤礦采空區巷道的埋設深度及截面尺寸，分析了自重應力作用下地表及采空區頂板的變形規律，得到以下主要結論：

（1）自重應力作用下，采空區地表及巷道頂板下沉量與其埋設深度呈負相關關系，當巷道頂板埋深小于100 m 時，應依據實際工況對采空區進行加固處治；

（2）巷道頂板下沉量與巷道截面面積呈非線性增大關系，但巷道截面面積對地表產生沉降范圍影響不明顯。沿巷道掘進工作面方向，豎向位移呈現出中間大、兩邊小特點。下伏采空區的公路工程應根據巷道埋置深度、尺寸及地表沉陷量合理確定采空區治理與否及相應的治理措施。